가장 안정적인 Raspberry Pi? 열 관리로 81% 향상된 NTP 정확도

(austinsnerdythings.com)

1P by GN⁺ 16시간전 | ★ favorite | 댓글 1개

Raspberry Pi 기반 NTP 서버의 주파수 변동을 줄이기 위해 CPU 코어 고정과 열 안정화를 결합한 실험 결과 소개
CPU 온도 변화가 크리스털 오실레이터의 주파수 드리프트를 유발함을 관찰하고, 이를 일정 온도로 유지해 안정화
PID 제어 기반 ‘time burner’ 프로세스로 CPU를 54°C에 유지하며, 81% 주파수 변동 감소와 77% 표준편차 감소 달성
CPU 0을 chronyd 전용으로 고정하고 나머지 코어로 열 부하를 유지해 NTP 오프셋을 평균 38ns 수준으로 개선
정밀 시각 동기화나 과학 장비 등 극한의 정확도가 필요한 환경에서 저비용 고정밀 타이밍 서버 구현 가능성 제시

문제: 온도 변화로 인한 타이밍 불안정

Raspberry Pi의 동적 주파수 조절(DVFS) 기능이 전력 효율에는 유리하지만, 정밀 시각 동기화에는 불리
- CPU 부하에 따라 클록 주파수가 변하면 시스템 클록의 틱 속도도 변동
크리스털 오실레이터의 주파수는 온도에 민감하며, CPU 발열에 따라 수 ppm 단위로 변동
- 낮과 밤의 온도 변화에 따라 주파수 드리프트가 발생
Grafana 모니터링 결과, CPU 온도 변화에 따라 약 ±1ppm의 주파수 오프셋이 관찰됨
- RMS 오프셋 평균은 86ns 수준으로, 개선 여지 존재

발견: 일정 온도 유지의 효과

CPU 온도를 일정하게 유지하면 주파수 안정성 향상 가능성 확인
해결책은 두 가지로 구성
1. CPU 코어 격리 – chronyd와 PPS 인터럽트를 CPU 0에만 할당
2. 열 안정화 – 나머지 코어를 지속적으로 가동해 일정 온도 유지
2025년 11월 17일 09:10에 열 안정화 시스템을 활성화하자 주파수 진동이 즉시 감소

해결책 1: CPU 코어 고정 및 실시간 우선순위 설정

CPU 0: chronyd와 PPS 인터럽트 전용
CPU 1–3: 일반 작업 및 열 부하 유지
부팅 시 자동 실행되는 최적화 스크립트 구성
- CPU 주파수 조절 모드를 performance로 고정
- PPS IRQ(200) 를 CPU 0에 고정
- chronyd를 실시간 우선순위(SCHED_FIFO 50) 로 설정
- ksoftirqd/0 프로세스 우선순위 향상
스크립트는 /etc/rc.local 또는 systemd 서비스로 등록 가능

해결책 2: PID 제어 기반 열 안정화

CPU 온도를 일정하게 유지하기 위해 PID 제어 루프를 사용
- 목표 온도: 54°C
- CPU 1–3에서 3개의 워커 프로세스가 MD5 해시 연산으로 부하 생성
- PID 출력값에 따라 연산 시간과 대기 시간을 조절
PID 파라미터
- Kp=0.05, Ki=0.02, Kd=0.0
- 온도 변화가 느리므로 미분항(Kd)은 0
결과적으로 CPU 온도는 ±0.2°C 범위 내에서 안정 유지

결과: 주파수 안정성 향상

주파수 변동성 81% 감소, 표준편차 77% 감소, RMS 오프셋 49% 감소
평균 RMS 오프셋: 85.44ns → 43.54ns
중앙값 RMS 오프셋: 80.13ns → 37.93ns
CPU 온도 54°C 유지 상태에서 ±0.14ppm 범위의 주파수 안정성 확보
실내 온도 변동(18.9~22.2°C)에도 불구하고 안정성 유지

설정 절차

사전 준비: GPS PPS 기반 NTP 서버 구축 필요
필수 패키지 설치
- linux-cpupower, python3, util-linux
부팅 최적화 스크립트 /usr/local/bin/pps-optimize.sh 작성 및 systemd 등록
열 제어 스크립트 /usr/local/bin/time_burner.py 작성 및 서비스 등록
- ExecStart=/usr/bin/python3 /usr/local/bin/time_burner.py -t 54.0 -n 3
검증 명령
- CPU governor: performance 확인
- chronyd CPU 고정 및 우선순위 확인
- chronyc tracking으로 RMS 오프셋 측정 (예: 35ns 수준)

모니터링 및 문제 해결

실시간 모니터링: watch -n 1 "chronyc tracking"
서비스 상태 확인: sudo systemctl status time-burner.service
PID 튜닝
- 온도 진동 시 Kp 감소, 안정화 지연 시 Ki 증가
- 목표 온도는 50~60°C 범위에서 조정 가능
높은 CPU 사용률(약 90%)은 의도된 동작

트레이드오프

전력 소비 증가: 3–4W 지속 소비 (연간 약 15–25kWh)
발열 증가: 54°C 유지, 안전 범위 내
CPU 자원 점유: 4코어 중 3코어 사용
- NTP 전용 장비에는 적합, 다중 서비스 환경에는 부적합

적용 가능 분야

정밀 시각 동기화, 과학 장비, 분산 시스템 연구, 네트워크 테스트 등
일반 용도에는 과도하지만, 저비용 고정밀 실험 환경 구축에 유용

향후 개선 방향

적응형 PID 튜닝으로 계절별 온도 변화 대응
하드웨어 기반 냉각 제어(PWM 팬 등)로 전력 효율 개선
OCXO(오븐 제어 크리스털 오실레이터) 적용 시 열 드리프트 제거 가능

결론

CPU 코어 고정과 PID 제어 열 관리 결합으로 초정밀 NTP 서버 구현
주파수 안정성 81% 향상, RMS 오프셋 38ns 달성
실험을 통해 열 관리와 실시간 스케줄링의 상관관계를 입증
실용성보다는 기술적 탐구와 학습 가치 중심의 프로젝트임

▲

GN⁺ 16시간전 [-]

Hacker News 의견

CPU0을 피하고 커널 명령줄에 idle=poll을 설정하면 더 나은 정밀도를 얻을 수 있음
CPU0에는 다른 인터럽트들이 몰리기 때문에, 높은 타이밍 정밀도가 필요한 작업에는 적합하지 않음
- 나도 같은 생각임. 우리 Debian 기반 OS 배포판에서도 주파수 스케일링 비활성화, 코어 고정 등 비슷한 최적화를 함
  CPU0에는 옮길 수 없는 시스템 작업이 많아서, 다른 코어를 격리된 섬(isolated core) 으로 쓰는 게 훨씬 나음
  우리 격리 코어의 스케줄러 지연(latency)은 최소 1µs, 평균 5µs, 최대 59µs 정도로 매우 안정적임
- 좋은 팁임. 오늘 나중에 직접 시도해볼 생각임
WWVB 송신소에서는 온도 변화를 막기 위해 수백 개의 물병으로 장비를 단열함
관련 기사: Spare Time – JILA
- 그 페이지는 따로 공유할 가치가 있음. 원자시계 4개를 운영하면서 UPS가 자동차 배터리 두 개와 헤드라이트 두 개로 구성된다는 점이 정말 인상적임
  물병으로 만든 열 질량(thermal mass)도 흥미로움
- 나도 비슷한 방법을 씀. 단열된 창고 안 책상 밑에 물을 저장해서 밤새 얼지 않게 함
  마치 침낭 속에 따뜻한 돌을 넣는 효과와 비슷함
나는 Austin (austinsnerdythings.com) 임. 어젯밤에 글을 올리고 자고 일어났더니 HN 1위라 놀랐음
내 LEA-M8T는 16Hz로 타임 펄스를 생성하고, chrony 설정에서 dpoll=-4로 설정했음. 16초 간격으로 256 샘플을 모아 안정성이 향상됨
책상 옆에는 BH3SAP GPSDO도 있음. Claude가 펌웨어를 수정해 GPS PPS가 없어도 펄스를 계속 생성하는 flywheel 모드를 추가했음
또 TSIP(Trimble 프로토콜) 출력을 지원하도록 업데이트했음. 관련 내용은 다음 글에서 다룰 예정임
댓글들에 대한 답변도 곧 달 예정이며, 질문은 언제든 환영임
- 좋은 글 고마움. 나도 비슷한 세팅을 하고 있어서 참고가 많이 됨
  16Hz 펄스가 실제로 얼마나 차이를 만드는지 궁금함. 그리고 데이터를 influxdb로 어떻게 넣는지도 알고 싶음. 나는 collectd를 쓰는데 정보가 부족함
- 프로젝트 멋짐. 혹시 Raspberry Pi를 케이스에 넣었는지 궁금함
  금속 케이스라도 있으면 난방기나 에어컨의 주기적 온도 변화로부터 더 안정적인 결과를 얻을 수 있음
저가형 Pi 오실레이터 크리스털을 TCXO로 교체하면 훨씬 안정적인 주파수를 얻을 수 있음
관련 문서: Raspberry Pi StackExchange – oscillator 교체
이 방법만으로도 드리프트가 4~5배 줄어듦. 다른 기법과 병행하면 더 좋음
- 그 글 여러 번 읽었음. Pi4용 OCXO가 달린 오디오파일용 HAT도 팔고 있음
  하지만 납땜 실력이 부족해서 직접 교체하기는 자신이 없음
- TCXO 가격이 의외로 저렴함. Abracon 제품 중 일부는 2달러 이하였음
이건 SBC 규모의 OCXO임. 더 큰 히트싱크를 달거나 오실레이터 주변에 열 질량(thermal mass) 을 추가하면 도움이 될지 궁금함
단순히 NTP 서버를 세팅하는 일에서도 배울 게 많음
- Flirc 금속 케이스를 추천함. CPU가 케이스 본체에 밀착되어 큰 열 질량을 형성함
  팬 없이도 훌륭한 수동 냉각이 가능함
- 나도 비슷하게 생각함. CPU와 오실레이터 위에 금속 블록을 얹어 열 관성을 높이면 좋을 듯함
  온도가 천천히 변하면 클록 드리프트도 느리게 변하므로 보정이 쉬움
  다만 작은 히트싱크는 오히려 주변 온도 변화에 민감해질 수 있음
- Pi의 케이스에 단열재를 추가하는 것도 고려 중임
  방 온도 급변(창문 열기, 샤워 후 습기 등)을 완화하고, CPU가 불필요하게 열을 태우는 걸 줄일 수 있음
  결국 목표는 열을 일정하게 유지하는 것임
- 하지만 너무 많은 열 방출은 오히려 역효과일 수 있음
  다른 코어들이 이미 최대 온도 근처에서 동작하며, 온도에 따라 클록 속도를 자동 조절함
  과도한 냉각은 이 자체 온도 제어 메커니즘을 방해할 수 있음
크리스털에 저항과 폼 단열재를 붙여 직접 가열하는 방법도 있음
GPIO로 제어 가능한 트랜지스터를 추가해 PID 제어로 온도를 유지할 수도 있음
- 이건 거의 100년 전부터 쓰이던 방식임. 1950년대의 크리스털 오븐은 작은 금속 상자 안에서 약 75°C로 유지되었음
  온도 계수(temperature coefficient)가 0에 가깝도록 절단된 크리스털을 사용했기 때문에 안정적이었음
  최근 장비들도 여전히 이런 구조를 사용하며, 완전히 안정화되기까지 약 5분 정도 걸림
- 나도 예전에 Pi를 포장용 폼 위에 올려놓는 실험을 했음
  주변 온도 변화는 줄었지만, 결국엔 온도 제어 챔버 안에 넣는 게 가장 확실한 해결책임
굳이 CPU를 태워 온도를 유지하기보다는, 마이크로컨트롤러와 정밀 오실레이터를 쓰는 게 더 낫지 않을까 생각함
예를 들어 STM32 보드에 이더넷을 연결해 NTP 서버로 쓰면 더 안정적일 듯함
- 나도 그걸 가지고 있음. eBay에서 70달러에 산 BH3SAP GPSDO인데, 수정된 펌웨어로 flywheel 모드를 지원함
  Pi에 NTP 신호를 공급할 수 있고, STM32도 가능하지만 기본적으로 이더넷 기능은 없음
- 일반적으로 NTP는 시간 민감 프로세스라서, SoC보다 MCU가 훨씬 안정적임
  RTLinux에는 외부 핀 상태에 맞춰 스케줄러를 동기화하는 기능도 있음
  하지만 프로세서가 많아지면 메타안정성(metastability) 문제가 생김
  Pi는 FPGA(Zynq)처럼 실시간 보장을 제공하지 않음
SoC의 온도를 일정하게 유지하기 위해 의도적으로 부하를 주는 발상은 생각 못 했음
하지만 소비 전력이 낮으니, 복잡한 냉각 시스템 대신 약간의 전력 낭비로 해결하는 게 합리적임
2022년에 관련된 논문이 있었음: USENIX NSDI22 – Najafi
- 흥미로운 논문이었음. 온도 반응 곡선 모델링으로 CPU를 태우는 대신 더 우아하게 문제를 해결함
- 하지만 그 논문은 서버 내 온도 센서의 다양성을 관찰한 정도임
  PPS 신호 두 개로 지터를 감지하는 방법은 오래된 기술이고, 온도 계수 학습(tempco learning) 도 수십 년 전부터 존재함
  실제로 그 학습된 tempco가 얼마나 정확한지에 대한 검증은 빠져 있음

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